Verfahren zur Feststellung des Inhaltes eines Brennstabes

Abstract

 Zur Unterscheidung dotierter Brennstofftabietten von solchen aus reinem UO₂ in Brennstäben hat man bisher die unterschiedliche Sekundärstrahlung dieser Materialien nach vorangehender Neutronenbestrahlungen ausgewertet. Dieses Verfahren erfordert hohe Investitionen und die Einhaltung von Strahlenschutzmaßnahmen. Die Erfindung kommt demgegenüber mit wesentlich geringerem Aufwand, insbesondere ohne Strahlenschutzmaßnahmen aus; sie besteht darin, daß die Leitfähigkeitsunterschiede zwischen reinem und dotiertem Material mit Hilfe eines an sich bekannten Wirbeistrom-Meßverfahrens ausgewertet werden: Hierzu wird die Impedanz einer den Brennstab umschließenden Prüfspule gemessen, wobei die Frequenz der diese Prüfspule speisenden Wechselspannung so niedrig gewählt wird, daß die auf unterschiedlicher Dotierung beruhenden Leitfähigkeitsunterschiede der Brennstofftabletten innerhalb des Rohres meßbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Inhaltes eines Brennstabes innerhalb eines sich in Längsrichtung des Brennstabes erstreckenden Prüfbereiches; insbesondere geht es darum, Brennstofftableten aus reinem Urandioxid von solchen zu unterscheiden, die mit Oxiden seltener Erden, z.B. mit Gadolinium - Gd₂0₃ - dotiert sind.

[0002] Zu diesem Zweck hat man bisher den geschlossenen Brennstab mit einer Neutronenquelle bestrahlt und anschließend die Sekundärstrahlung des Brennstabes über dessen Länge aufgezeichnet, da diese Sekundärstrahlung unterschiedlich dotierter Brennstofftabletten unterscheidbar ist. Dieses sogenannte "Rod-Scanning" erfordert jedoch einen hohen Aufwand für die Meßeinrichtungen und für Strahlenschutzmaßnahmen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das erläuterte Problem mit geringerem Aufwand zu lösen.

[0003] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Position einer den Brennstab konzentrisch umgebenden Prüfspule von Beginn bis Ende des Prüfbereiches verändert und dabei die Impedanz der Prüfspule abhängig von ihrer Position gemessen wird, wobei die Prüfspule mit einer Wechselspannung gespeist wird, deren Frequenz so niedrig ist, daß sich der Meßwert im Bereich einer Brennstofftablette aus reinem Urandioxid deutlich von dem unterscheidet, der im Bereich einer dotierten Brennstofftablette gemessen wird.

[0004] Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Feststellung, daß die Leitfähigkeit der Brennstofftabletten schon bei geringer Dotierungen sehr stark ansteigt und selbst geringe Leitfähigkeitsunterschiede mit einem ein elektrisch leitendes Rohr durchdringenden Magnetfeld meßbar sind: An der Prüfspule treten bei entsprechend niedriger Frequenz ausreichend große Impedanzunterschiede auf.

[0005] Vorzugsweise werden die Meßwerte von einem Schreibgerät abhängig von der Position der Prüfspule aufgezeichnet. Hierzu können die Meßwerte in einem Transientenrecorder digitalisiert und in dieser Form abgespeichert und ggf. gleichzeitig oder später von einem Rechner ausgewertet werden. Hierbei werden dann auch schnelle Meßwertänderungen - z.B. an den Tablettengrenzen - sichtbar, die von einem - zu trägen - Meßwertschreiber nicht mehr dargestellt werden. Das ermöglicht es dann, für die Durchlaufgeschwindigkeit des Brennstabes durch die Prüfspule einen praktischen Anforderungen entsprechenden hohen Wert - z.B. 10 cm/sec - zu wählen.

[0006] Im Ergebnis entsteht ein für den Inhalt eines Brennstabes typisches Profil. Dieses erlaubt nicht nur die Bestimmung der Dotierungskonzentration der Brennstofftabletten und damit die Unterscheidung von Tabletten unterschiedlicher Dotierung, selbst wenn der Unterschied nur 1 % beträgt. Darüber hinaus sind auch metallische Einschlüsse in den Tabletten, unerwünschte Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Tabletten und deren Schiefstellung ebenso feststellbar wie die Lage von Strukturmaterial, beispielsweise von Federn oder Aluminiumoxid-Tabletten. Schließlich ist so auch die Länge der Tablettensäule meßbar.

[0007] Bei Beachtung der Strahlenschutzmaßnahmen kann die Erfindung selbstverständlich auch zur Ausmessung von bereits bestrahlten Brennstäben verwendet werden.

[0008] Die Erfindung bedient sich des bekannten Wirbelstromverfahrens und der zu dessen Durchführung bekannten Meßgeräte und Apparaturen. Bei diesem Verfahren wird die Änderung der Impedanz einer Prüfspule ausgewertet, wenn in diese ein Prüfling eingeführt wird. Die Änderung der Impedanz ist hierbei von Qualitätsmerkmalen des Prüflings, wie Materialfehler, Dimensionsabweichungen, abhängig. Hierbei war jedoch der Prüfling stets durchgehend aus Metall. Bei der Erfindung wird dagegen keramisches oder halbleitendes Material vermessen, das von einem elektrisch leitenden Metallrohr umgeben ist.

[0009] Wie in den bekannten Fällen kann auch bei der Erfindung der Absolutwert der Impedanz gemessen und angezeigt werden; eine höhere Empfindlichkeit ergibt sich jedoch mit einem Vergleichswertverfahren, bei dem die Differenz zwischen dem Meßwert des Prüflings und dem Meßwert eines Vergleichsgegenstandes ausgewertet wird. Der Vergleichsgegenstand ist vorzugsweise ein von einer Vergleichsspule umgebenes Rohr, das zweckmäßig mit einer Brennstofftablette gefüllt ist, wobei die Daten von Rohr und Brennstofftablette dieselben sind wie die Solldaten der zu vermessenden Brennstäbe. Die Vergleichsspule kann aber auch räumlich neben der Prüfspule den zu vermessenden Brennstab umgeben.

[0010] Vorzugsweise wird die Prüfspule - oder eine zusätzliche Hilfsspule - mit mindestens einer zusätzlichen Wechselspannung höherer Frequenz beaufschlagt und die dabei festgestellte Impedanz getrennt gemessen und ausgewertet. Auf diese Weise können bei entsprechender Wahl der Frequenzen andere Eigenschaften des Prüflings, wie beispielsweise Dicke, Exzentrizität und Homogenität der Wan^- dung des Rohres des Brennstabes gleichzeitig gemessen werden.

[0011] Die Erfindung eignet sich besonders gut für eine automatisierte Prüfung, bei der das gemessene Profil der Prüflinge mit dem Sollprofil eines einwandfreien Brennstabes verglichen und vom Ergebnis dieses Vergleiches eine Weichenstellung für die Sortierung der Prüflinge gesteuert wird.

[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen

FIG 1 eine Meßanordnung in schematischer Darstellung und

FIG 2 ein damit aufgenommenes Stabprofil.

[0013] In FIG 1 ist ein Brennstab mit 1 und sein Hüllrohr mit 1G.1 bezeichnet. In dem Hüllrohr sind zwischen zwei Abschlüssen 14 eine Feder 11, zwei Tabletten 12 aus Aluminiumoxid, 36 Brennstofftabletten 13 mit unterschiedlicher Dotierung und eine weitere Tablette 12 aus Aluminiumoxid angeordnet.

[0014] Dieser Brennstab wird in Richtung des Pfeiles x durch eine Prüfspule 2.1 hindurch bewegt, wobei die gemessenen Impedanzänderungen von einem Schreiber 4 gemäß FIG 2 aufgezeichnet werden. Dieser Schreiber wird von einem Wirbelstromprüfgerät 3 gesteuert, an das eine zusätzliche Vergleichsspule 2.2 angeschlossen ist, die ein leeres Vergleichsrohrstück 10.2 umschließt. Vergleichsspule und Prüfspule werden von dem Wirbelstromprüfgerät mit einer Wechselspannung entsprechend niedriger Frequenz gespeist und die Impedanzdifferenz zwischen Hilfsspule und Prüfspule gemessen und nach entsprechender Verstärkung vom Schreibgerät 4 über der Länge x des Brennstabes aufgezeichnet:

In FIG 2 sind deutlich die einzelnen Brennstoff tabletten erkennbar, da diese stirnseitig nicht vollflächig, sondern nur kreisringförmig aufeinanderstoßen: Jede Tablette ist daher durch eine Halbwelle abgebildet. Das Höhenniveau dieser Halbwellen ist darüber hinaus ein Maß für die Dotierung, hier für den Gd₂0₃-Gehalt - in Prozent - einer im übrigen aus UO₂ bestehenden Brennstoff tablette. Dieses Profil ermöglicht es somit ohne weiteres, reine U0₂-Tabletten (Gd₂0₃-Anteil = 0 %) von dotierten Tabletten zu unterscheiden; bei entsprechender Eichung ist sogar der Dotierungsgrad meßbar. Ferner läßt das Profil auch die Lage von Strukturmaterial erkennen, wobei der Zweig a die beiden Aluminiumoxid-Tabletten 12 und der Zweig b die Feder 11 abbildet.

[0015] Die Frequenz der Wechselspannung an der Prüfspule liegt bei der Erfindung unter 10 kHz; bei den bekannten Wirbelstrommeßverfahren liegt sie dagegen gewöhnlich über 50 kHz. Bei einem Stabdurchmesser von 12,5 mm und einer Wandstärke von 0,95 mm des Hüllrohres hat sich vor allem eine Frequenz zwischen 6,6 und 7,5 kHz als besonders günstig erwiesen. Bei einem dünneren Stabdurchmesser von
9,7 mm und einer Wandstärke von 0,7 mm wurde mit 9 bis 9,5 kHz gearbeitet. Der Luftspalt zwischen den einzelnen Tabletten und dem Hüllrohr beträgt etwa 190 um.

Ansprüche

1. Verfahren zur Feststellung des Inhaltes eines Brennstabes (1) innerhalb eines sich in Längsrichtung des Brennstabes erstreckenden Prüfbereiches, dadurch gekennzeichnet, daß die Position (x) einer den Brennstab (1) konzentrisch umgebenden Prüfspule (2.1) von Beginn bis Ende des Prüfbereiches verändert und dabei die Impedanz der Prüfspule (2.1) abhängig von ihrer Position (x) gemessen wird, wobei die Prüfspule mit einer Wechselspannung gespeist wird, deren Frequenz so niedrig ist, daß sich der Meßwert im Bereich einer Brennstofftablette (13) aus reinem Urandioxid deutlich von dem unterscheidet, der im Bereich einer dotierten Brennstofftablette gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Meßwerte von einem Schreibgerät (4) abhängig von der Position (x) der Prüfspule (2.1) in Form eines Meßprofiles aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Meßprofil des zu prüfenden Brennstabes mit dem Sollprofil eines einwandfreien Brennstabes verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleiches eine Weichenstellung für eine auf die Messung folgende Sortierung der Brennstäbe vorgenommen wird.

Zeichnung